一種基于混頻超聲的連續(xù)高效細(xì)胞破壁處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及超聲處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于混頻超聲的連續(xù)高效細(xì)胞破壁 處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國(guó)城市化和工業(yè)化進(jìn)程加速，污染問題成為了制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸問題， 治理環(huán)境污染和加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)迫在眉睫。在眾多的污染治理研宄中，細(xì)胞破壁引起了科學(xué) 工作者的高度重視，如水體藻類植物泛濫，需要破壞掉藻類的植物細(xì)胞壁，使細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)流 出，以達(dá)到治理藻類污染的目的；在一些污泥處理過程中，由于污泥中存在大量生物細(xì)胞， 其以多種形式結(jié)合的水分使得污泥的含水量很大，因此需要對(duì)生物細(xì)胞進(jìn)行處理，使其結(jié) 合的包括胞內(nèi)水在內(nèi)的水分析出，以便后續(xù)處理，達(dá)到減少污泥含水量的目的。因此，如何 持續(xù)高效的進(jìn)行生物細(xì)胞處理成為重要的研宄課題。
[0003] 超聲波技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型的環(huán)境技術(shù)，被稱為環(huán)境友好的技術(shù)。 大振幅超聲波能量集中，可使得介質(zhì)產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，常用于超聲清洗、乳化、化學(xué)處理、鉆孔 等方面。超聲由超聲換能器中的壓電陶瓷片通過壓電效應(yīng)發(fā)出，超聲波由一系列疏密相間 的縱波構(gòu)成，并通過液體介質(zhì)向四周傳播。當(dāng)聲能達(dá)到一定強(qiáng)度，作用于液體分子，會(huì)使得 液相分子間的吸引力被打破，形成空化核?？栈说膲勖s為〇. 1微秒，它在爆炸瞬間可以 產(chǎn)生大約400k的局部高溫和IOOMPa的局部高壓環(huán)境，同時(shí)產(chǎn)生速度約為400km/h具有強(qiáng) 烈沖擊力的微射流，這種現(xiàn)象稱為超聲空化。這些條件足以使有機(jī)物在空化泡內(nèi)發(fā)生化學(xué) 健斷裂、高溫分解、水相燃燒或自由基反應(yīng)，因此超聲波可以有效應(yīng)用在細(xì)胞破壁的應(yīng)用當(dāng) 中。
[0004] 超聲波破除生物細(xì)胞機(jī)理有：破壞細(xì)胞壁、破壞氣胞、破壞活性酶等。實(shí)驗(yàn)已證實(shí) 高強(qiáng)度的超聲波能破壞細(xì)胞壁，使細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)流出。例如：對(duì)于藻類而言，其細(xì)胞的特殊構(gòu) 造是細(xì)胞體含有多組氣胞，氣胞控制藻類細(xì)胞的升降運(yùn)動(dòng)。超聲波引起的沖擊波、射流、輻 射壓等可以破壞氣胞。在適當(dāng)?shù)念l率下，氣胞成為空化泡而破裂；同時(shí)，空化產(chǎn)生的高溫高 壓和大量自由基，可以破壞細(xì)胞內(nèi)活性酶和活性物質(zhì)，從而影響細(xì)胞的生理生化活性。
[0005] 目前，各種各樣的生物細(xì)胞破壁的超聲處理方法相繼出現(xiàn)，但普遍存在如下問題： 超聲功率和頻率均已固定，對(duì)不同生物細(xì)胞進(jìn)行破壁無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)[1];綜合超聲與其他化 學(xué)法作用，雖然提高了破壁效率，但卻造成了二次污染等問題[2];超聲功率小，破壁率較低， 雖然可有效抑制生物細(xì)胞生長(zhǎng)，卻無(wú)法從根本上破壞細(xì)胞，導(dǎo)致樣品處理效率達(dá)不到工業(yè) 化要求 [3]。因此，急需綜合考慮以上因素，設(shè)計(jì)一種高效連續(xù)式超聲細(xì)胞破壁處理方法。 [0006] 參考文獻(xiàn)
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 針對(duì)上述情況，本發(fā)明之目的就是提供一種基于混頻超聲的連續(xù)高效細(xì)胞破壁處 理方法，可有效解決目前超聲生物破壁處理中的超聲功率、頻率單一，功率小及二次污染等 問題。
[0011] 當(dāng)生物細(xì)胞受到兩種或多種超聲波頻率照射時(shí)，各種不同頻率的超聲波會(huì)各自對(duì) 水產(chǎn)生空化效應(yīng)，而且，多種頻率的超聲波混合時(shí)會(huì)通過倍頻、分頻波等途徑產(chǎn)生復(fù)雜多變 的頻率并產(chǎn)生更多的空化效應(yīng)；再者，兩種或多種頻率的混頻超聲波可以減少單一頻率超 聲波產(chǎn)生的駐波，而駐波會(huì)導(dǎo)致的空化穴減少；此外，不同類型和大小的生物細(xì)胞對(duì)不同頻 率的超聲感受敏感程度不同，混頻超聲復(fù)雜多變的頻率比單獨(dú)施加某種單一頻率的超聲效 果要好得多。
[0012] 其解決的技術(shù)方案是，一種基于混頻超聲的連續(xù)高效細(xì)胞破壁處理方法，是將樣 品泵入超聲反應(yīng)容器，在超聲反應(yīng)容器內(nèi)進(jìn)行混頻的超聲處理。
[0013] 本發(fā)明待處理樣品在混料池稀釋成液態(tài)，以便進(jìn)行超聲處理?；炝铣貎?nèi)樣品通過 管道泵入超聲反應(yīng)容器。
[0014] 所述超聲反應(yīng)容器中采用多組面對(duì)面放置的功率超聲換能器，超聲換能器可更 換，這里選用三種超聲換能器頻率分別為20kHz、28kHz和35kHz，針對(duì)不同樣品換能器輸出 功率在500W-3kW之間。這三種頻率的超聲換能器為低頻常用，在實(shí)際生產(chǎn)中可實(shí)現(xiàn)連續(xù)高 功率工作，更重要的是，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明通過混頻可產(chǎn)生復(fù)雜多變的頻率并產(chǎn)生不同的空化效 果作用于不同的生物細(xì)胞。超聲換能器頻率20kHz和28kHz為一組，28kHz和35kHz為一組， 20kHz和35kHz為一組，每一組中兩個(gè)超聲換能器面對(duì)面作用可實(shí)現(xiàn)超聲波混頻，合成的超 聲波可實(shí)現(xiàn)不同的頻率和聲強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同尺寸及種類的生物細(xì)胞進(jìn)行破壁處理。超 聲反應(yīng)容器與沉降池連接，待后續(xù)處理。
[0015] 沉降池用于接收經(jīng)超聲處理的樣品，經(jīng)過超聲處理的樣品如藍(lán)藻、污泥等在重力 的作用下沉入池底，靜置分離后，將水排出，可對(duì)樣品進(jìn)行后續(xù)加工。
[0016] 有益效果：該方法打破了原有超聲破壁方法中固定超聲頻率只能處理特定生物細(xì) 胞的限制，通過超聲混頻提高了破壁效率。該方法在處理樣品過程中，樣品處于流動(dòng)狀態(tài)， 并受到超聲連續(xù)作用，從而使得該裝置可以和其他設(shè)備進(jìn)行有效集成，實(shí)現(xiàn)樣品的連續(xù)、高 效處理。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1為本發(fā)明的基于混頻超聲的連續(xù)高效細(xì)胞破壁處理方法示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 以下以藍(lán)藻為例，結(jié)合具體情況對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。
[0019] 實(shí)施例1
[0020] 取A、B、C、D四組濃度相同的銅綠微囊藻液各200ml，超聲輸出功率為500W，A、B、 C組分別用頻率為20KHz、28KHz和35KHz的超聲進(jìn)行作用，輻照時(shí)間為15秒，D組分別用 20kHz和28kHz混頻，28kHz和35kHz混頻，20kHz和35kHz混頻各作用5秒，將經(jīng)超聲作用的 藻液靜置于培養(yǎng)箱中，取上清液測(cè)量吸光度（OD值），與未經(jīng)超聲作用的對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比， 從而定量得到溶液中藍(lán)藻的生物含量，如表1所示。
[0021] 表 1
[0022]
[0023] 從表1可以看出，采用混頻超聲對(duì)藍(lán)藻進(jìn)行處理，可有效降低溶液中藍(lán)藻的生物 含量，從而提尚去除率，藍(lán)澡的去除效果可提尚25%左右。
[0024] 實(shí)施例2
[0025] 取A、B、C、D四組濃度相同的銅綠微囊藻液各200ml，超聲輸出功率調(diào)為500W，四 組均采用混頻超聲，輻照時(shí)間分別為15秒、20秒、25秒和30秒，將經(jīng)超聲作用的藻液靜置 于培養(yǎng)箱中，取上清液測(cè)量吸光度（0D值），與未經(jīng)超聲作用的對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比，從而定量 得到溶液中藍(lán)藻的生物含量，如表2所示。
[0026]表2
[0027]
[0029] 從表2可以看出，采用混頻超聲對(duì)藍(lán)藻進(jìn)行處理，隨著混頻超聲作用時(shí)間的增加， 溶液中藍(lán)藻的生物含量降低，相應(yīng)的去除率升高，由于該方法設(shè)計(jì)為連續(xù)處理方法，不會(huì)無(wú) 限升高超聲作用時(shí)間，因此可根據(jù)需要選擇合理時(shí)間范圍。
[0030] 實(shí)施例3
[0031] 取A、B、C、D四組濃度相同的銅綠微囊藻液各200ml，超聲輸出功率分別為0. 5kW、 lkW、2kW、3kW，采用混頻超聲作用15秒，將經(jīng)超聲作用的藻液靜置于培養(yǎng)箱中，取上清液測(cè) 量吸光度（OD值），與未經(jīng)超聲作用的對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比，從而定量得到溶液中藍(lán)藻的生物含 量，如表3所示。
[0032] 表 3
[0033]
[0034] 從表3可以看出，采用混頻超聲對(duì)藍(lán)藻進(jìn)行處理，隨著混頻超聲功率的增加，溶液 中藍(lán)藻的生物含量大大降低，相應(yīng)的去除率升高。
[0035] 在生產(chǎn)實(shí)施時(shí)，本發(fā)明的處理方法如圖1，是以如下形式實(shí)施的，首先將待處理樣 品放入混料池，向混料池注水將樣品攪拌稀釋成液態(tài)，使得超聲波可以在樣品中得以有效 傳遞和作用。以上過程對(duì)不同樣品區(qū)別對(duì)待，如含生物水的污泥可以按照上述方法執(zhí)行，對(duì) 于藍(lán)藻等水污染可在水源處直接將污染水泵入混頻超聲反應(yīng)裝置中?？刂茦悠吩谘b置內(nèi)的 流動(dòng)速度，從而控制超聲與樣品的作用時(shí)間。超聲反應(yīng)裝置中分為三個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域面對(duì) 面放置一組不同頻率的功率超聲換能器，超聲換能器可更換，功率在500W_3kW之間，三組 功率超聲換能器的頻率為20kHz和28kHz為一組，28kHz和35kHz為一組，20kHz和35kHz 為一組，每一組中兩個(gè)超聲換能器面對(duì)面作用可實(shí)現(xiàn)超聲波混頻，合成的超聲波可實(shí)現(xiàn)不 同的頻率和聲強(qiáng)，不同尺寸及種類的生物細(xì)胞在經(jīng)過超聲作用區(qū)域時(shí)都可受到混頻超聲作 用，實(shí)現(xiàn)有效破壁處理。超聲反應(yīng)裝置與沉降池連接，處理過的樣品流入沉降池。
[0036] 沉降池用于接收經(jīng)超聲處理的樣品，經(jīng)過超聲處理的樣品如藍(lán)藻、污泥等在重力 的作用下沉入池底，靜置分離后，將水排出，可對(duì)樣品進(jìn)行后續(xù)脫水處理。
[0037] 由上述可以看出，本發(fā)明提供的一種基于混頻超聲的連續(xù)高效細(xì)胞破壁處理方 法，不同于傳統(tǒng)的單一超聲破壁方法，是一種利用超聲混頻技術(shù)更加快速、連續(xù)、有效的生 物細(xì)胞破壁技術(shù)，打破了原有技術(shù)中固定超聲頻率只能處理特定生物細(xì)胞的限制，提高了 破壁效率。該方法無(wú)需與其他化學(xué)方法共同作用，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，完全符合生產(chǎn)中對(duì)環(huán)境保 護(hù)的要求。該方法對(duì)生物細(xì)胞進(jìn)行破壁處理，效率可提高15% -30%，同時(shí)該方法在處理樣 品過程中，樣品處于流動(dòng)狀態(tài)，并受到超聲連續(xù)作用，超聲作用時(shí)間短，從而使得該方法可 以和其他處理工藝進(jìn)行有效集成，實(shí)現(xiàn)樣品的連續(xù)、高效處理。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于混頻超聲的連續(xù)高效細(xì)胞破壁處理方法，是將待處理樣品泵入超聲反應(yīng)容 器，在超聲反應(yīng)容器內(nèi)進(jìn)行混頻的超聲處理。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于混頻超聲的連續(xù)高效細(xì)胞破壁處理方法，其特征在 于，所述超聲反應(yīng)容器中分為三個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域面對(duì)面放置一組不同頻率的功率超聲換 能器，功率在500W-3kW之間，三組功率超聲換能器的頻率為20kHz和28kHz為一組，28kHz 和35kHz為一組，20kHz和35kHz為一組，每一組中兩個(gè)超聲換能器面對(duì)面作用可實(shí)現(xiàn)超聲 波混頻，合成的超聲波可實(shí)現(xiàn)不同的頻率和聲強(qiáng)，不同尺寸及種類的生物細(xì)胞在經(jīng)過超聲 作用區(qū)域時(shí)都可受到混頻超聲作用。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于混頻超聲的連續(xù)高效細(xì)胞破壁處理方法，該方法是將待處理樣品泵入超聲反應(yīng)容器，在超聲反應(yīng)容器內(nèi)進(jìn)行混頻的超聲處理。超聲反應(yīng)容器中分為三個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域面對(duì)面放置一組不同頻率的功率超聲換能器，超聲換能器可更換，功率在500W-3kW之間，三組功率超聲換能器的頻率為20kHz和28kHz為一組，28kHz和35kHz為一組，20kHz和35kHz為一組，每一組中兩個(gè)超聲換能器合成的超聲波可實(shí)現(xiàn)不同的頻率和聲強(qiáng)，不同尺寸及種類的生物細(xì)胞在經(jīng)過超聲作用區(qū)域時(shí)都可受到混頻超聲作用，實(shí)現(xiàn)有效破壁處理。該方法打破了原有技術(shù)中固定超聲頻率只能處理特定生物細(xì)胞的限制，提高了破壁效率。
【IPC分類】C02F1/36, C02F11/00
【公開號(hào)】CN104944516
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510401182
【發(fā)明人】楊浩
【申請(qǐng)人】楊浩
【公開日】2015年9月30日
【申請(qǐng)日】2015年7月9日